The oxidation behavior of model binary and ternary alloys in supercritical water (SCW) was examined. Binary alloys contained 9 or 14 at% Cr. Ternary alloys had 1.5 at% of one of the following elements: Si, Al, V, Mn or Ti. Samples with different surface finishes were exposed to SCW for up to 500 hours. The oxidized samples were characterized using gravimetry, SEM, HRTEM and EDX. After exposure, a uniform double layer oxide with outwardly grown magnetite inwardly grown Fe-Cr mixed oxide was detected on most of samples. Alloys contains 14 at% Cr or/and 1.5 at% Si showed a mixed oxidation mode, where relatively thick double layer oxides coexisted with thin protective oxide. The coverage with the thin oxide increased with the increase of deformation and/or Cr and/or Si content. A 20 nm thick Si-enriched layer was detected at such alloy/oxide interfaces. This behavior is very similar to “third element effect”.

The oxidation behavior of model binary and ternary alloys in supercritical water (SCW) was examined. Binary alloys contained 9 or 14 at% Cr. Ternary alloys had 1.5 at% of one of the following elements: Si, Al, V, Mn or Ti. Samples with different surface finishes were exposed to SCW for up to 500 hours. The oxidized samples were characterized using gravimetry, SEM, HRTEM and EDX. After exposure, a uniform double layer oxide with outwardly grown magnetite inwardly grown Fe-Cr mixed oxide was detected on most of samples. Alloys contains 14 at% Cr or/and 1.5 at% Si showed a mixed oxidation mode, where relatively thick double layer oxides coexisted with thin protective oxide. The coverage with the thin oxide increased with the increase of deformation and/or Cr and/or Si content. A 20 nm thick Si-enriched layer was detected at such alloy/oxide interfaces. This behavior is very similar to “third element effect”.

Stainless steels are very important engineering materials in a variety of applications such as in the food industry and nuclear power plants due to their combination of good mechanical properties and high corrosion resistance. However, ferrite-containing stainless steels are sensitive to the so-called ‘475°C embrittlement’, which is induced by phase separation of the ferrite phase, where it decomposes into Fe-rich ferrite (α) and Cr-rich ferrite (α'). The phase separation is accompanied with a severe loss of toughness. Therefore, the upper service temperature of ferrite-containing stainless steels in industrial applications has been limited to around 250°. In the present work, Fe-Cr based steels were mainly investigated by atom probe tomography. A new method based on the radial distribution function (RDF) was proposed to quantitatively evaluate both the wavelength and amplitude of phase separation in Fe-Cr alloys from the atom probe tomography data. Moreover, a simplified equation was derived to calculate the amplitude of phase separation. The wavelength and amplitude was compared with evaluations using the auto-correlation function (ACF) and Langer-Bar-on-Miller (LBM) method, respectively. The results show that the commonly used LBM method underestimates the amplitude of phase separation and the wavelengths obtained by RDF shows a good exponential relation with aging time which is expected from the theory. The RDF is also an effective method in detecting the phenomena of clustering and elemental partitioning. Furthermore, atom probe tomography and the developed quantitative analysis method have been applied to investigate the influence of different factors on the phase separation in Fe-Cr based alloys by the help of mainly mechanical property tests and atom probe tomography analysis. The study shows that: (1) the external tensile stress during aging enhances the phase separation in ferrite. (2) Phase separation in weld bead metals decomposes more rapidly than both the heat-affected-zone metals and the base metals mainly due to the high density of dislocations in the welding bead metals which could facilitate the diffusion. (3) The results show that Ni and Mn can enhance the phase separation comparing to the binary Fe-Cr alloy whereas Cu forms clusters during aging. (4) Initial clustering of Cr atoms was found after homogenization. Two factors, namely, clustering of Cr above the miscibility gap and clustering during quenching was suggested as the two responsible mechanisms. (5) The homogenization temperatures significantly influence the evolution of phase separation in Fe-46.5at.%Cr. / <p>QC 20140910</p> / Spinodal Project

[pt] A crescente demanda mundial por energia e a necessidade do controle de emissão de gás carbônico (CO2), principal gás responsável pelo aquecimento global, exigem o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de energia com menor emissão de CO2. O uso de fontes alternativas na produção energética está aumentando, mas não é suficiente para suprir a demanda, portanto o uso de combustíveis fósseis ainda é necessário. Neste contexto, o uso da oxicombustão em usinas a carvão em conjunto com a captura e sequestro de carbono (CCS) surge como uma alternativa às usinas convencionais a carvão, pois não emite CO2 na produção de energia. O processo de oxicombustão difere basicamente do convencional pela queima de O2 puro e gás reciclado ao invés de ar. Com isso uma atmosfera rica em CO2 e H2O é formada no boiler, podendo aumentar a corrosão dos materiais em contato com o gás. Este trabalho teve como objetivo investigar o comportamento em corrosão em alta temperatura de ligas de ferro submetidas a condições simples e duplas em atmosferas ricas em CO2. Ligas experimentais e comerciais de ferro com diferentes teores de cromo, cobalto e carbono foram expostas a atmosferas contendo CO2, H2O e SO2 a 600 graus Celsius durante 1000 horas. As amostras foram analisadas em condição simples, onde a amostra é exposta a um mesmo gás em todas as faces e em condição dupla onde a amostra é exposta a vapor d água de um lado e um gás do outro, criando um gradiente de hidrogênio na amostra. As amostras foram caracterizadas por MEV, MET, EDS e microscópio ótico. Os resultados demonstraram que há maior corrosão em condição dual que em condição simples. A maioria das ligas experimentais apresentaram menor oxidação que o aço comercial VM12 em atmosferas ricas em CO2. Entretanto o aço VM12 apresentou melhores resultados quando exposto ao vapor d água. / [en] The world s increasing demand for energy and the need to control carbon dioxide (CO2) emissions, the main gas responsible for global warming, requires development of new technologies to produce energy with lower CO2 emission. Use of alternative renewable sources in energy production is increasing, but not enough to meet the demand. Thus, fossil fuel is still necessary. In this context, oxyfuel together with carbon capture and sequestration (CCS) arises as an alternative to conventional coal-fired power plants, because it does not emit CO2 during energy production. The oxyfuel process differs from the conventional process by burning pure O2 and recycled fuel gas instead of air. Therefore, a CO2-H2O-rich atmosphere is formed in the boiler, increasing the materials corrosion in contact with this atmosphere. The objective of this work was to investigate the high temperature corrosion behavior of iron alloys subjected to single and dual conditions in CO2-rich atmospheres. Model and commercial iron alloys with different chromium, cobalt and carbon content were exposed to atmospheres containing CO2, H2O and SO2 at 600 Celsius degrees for 1000 hours. The samples were analyzed in single atmosphere condition, when all sample faces were exposed to the same gas, and in dual atmosphere condition where the samples were exposed to water vapor on one side, to a gas on the other, creating an hydrogen gradient in the sample. The samples were characterized using TEM, SEM, EDS and light microscope. Results showed different corrosion rates according to chemical composition and microstructure of the samples and gases. Results showed that corrosion is higher in dual condition than in single condition. Most of the model alloys presented less corrosion than commercial steel VM12 in CO2-rich atmospheres. However, steel VM12 presented better results when exposed to water vapor.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spaltreaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss ausgesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nanohärtemessungen und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Abhängigkeit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für ausgewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronenbestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernisstärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungsbedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungsreihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spalt-reaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss aus-gesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden ein-gesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nano¬härte¬messungen und Transmissions¬elektronen¬mikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Ab-hängig¬keit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für aus-gewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronen-bestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernis¬stärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungs-bedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungs-reihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersions-verfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

[pt] A redução na emissão de CO2 na atmosfera é um dos desafios atuais mais importantes enfrentados por diferentes indústrias no mundo. A geração de energia através da queima de combustíveis fósseis utilizando oxigênio puro [1], também chamada de tecnologia de oxicombustão, é uma opção utilizada pelas indústrias de geração de energia para minimizar os índices de concentração de CO2 até emissão ZERO [1,2]. Inevitavelmente, as tubulações dos trocadores de calor que conformam aquelas plantas de energia, sofrem corrosão em contato com os gases de combustão (H2O-CO2) em altas temperaturas. Estas tubulações, fabricadas com aço ou com ligas ferro-cromo vem sendo utilizadas no intuito de reduzir a corrosão. Tubulações com revestimentos/recobrimentos protetores tem sido também considerados para aumentar a resistência a processos corrosivos sem requerer o emprego de ligas de alto custo. Um revestimento adequado deve ser inerte e estável em altas temperaturas como é o caso dos materiais cerâmicos. A alumina, sendo um material estável em ambientes característicos do processo de oxicombustão apresenta características favoráveis para esta proteção [3]. Amostras de Fe-Cr foram oxidadas sob condições que simularam processos de Oxicombustão nos laboratórios do Bundesanstalt Für Materialforschung Und-Prüfung (BAM) Berlim-Alemanha. O processo ocorreu a 650 graus Celsius durante 2000 h, em atmosfera contendo 60 por cento CO2,30 por cento H2O, 7 por cento N2, 2 por cento O2 e 1 por cento SO2. A caracterização microestrutural das amostras oxidadas foi realizada nos laboratórios do instituto Nacional de Tecnologia (INT), utilizando técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios-X (EDS). Foram produzidos riscos na superfície do revestimento de Al2O3, previamente aos testes de oxidação, para simular falhas no revestimento; além da eficácia do revestimento de alumina, foi também avaliado o papel do cromo como meio protetor contra a corrosão e de outros elementos de liga no processo de oxidação do aço P92, buscando identificar o mecanismo de oxidação. Como resultado do fluxo dos gases de oxicombustão há formação de camadas de Fe3O4, Fe2O3 e cromo-espinélio nas ligas sem revestimento. As amostras que possuíam o revestimento de alumina apresentaram ótima proteção, com resultados de uma alta eficácia, enquanto as amostras que tinham riscos apresentaram uma oxidação interna de oxidação cromo-espinélio protetor na matriz logo abaixo da região afetada. / [en] The reduction in the emission of CO2 in the atmosphere is one of the most important problems faced by different industries in the world. The generation of energy from oxyfuel oxygen, [1], also called Oxyfuel technology, is a matter of CO2 emission for ZERO [1,2]. Inevitably, as pipes of the heat exchangers that make up these power plants, they suffer corrosion in contact with the flue gases (H2O-CO2) at high temperatures. These pipes, made of steel or iron-chromium alloys, are not used instead of reducing corrosion. Pipes with protective coatings have already been submitted to increase resistance to corrosive processes without requiring the use of high cost alloys. One which must be inert and static at high temperatures is the case of ceramic materials. An alumina, being a suitable material to the environments characteristic of the Oxyfuel process, presents characteristics favorable to the protection [3]. Fe-9Cr samples were oxidized under conditions that simulated Oxyfuel processes in the laboratories of the Bundesanstalt Für Materialforschung Und-Prüfung (BAM) Berlin-Germany. The process occurred at 650 degree Celsius for 2000 h, in an atmosphere containing 60 percent CO2, 30 percent H2O, 7 percent N2, 2 percent O2 and 1 percent SO2. The microstructural characterization of the oxidized samples was performed in the laboratories of the National Institute of Technology (INT), using Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Energy Dispersion Spectroscopy (EDS) techniques. Risks were produced on the Al2O3 coating surface, prior to the oxidation tests, to simulate coating failures; besides the effectiveness of the alumina coating, the role of chromium as a protective medium against corrosion and other alloying elements in the oxidation process of P92 steel was also evaluated, in order to identify the oxidation mechanism. As a result of the flow of oxyfuel gases, Fe3O4, Fe2O3 and chromium-spinel layers are formed in the alloys without coating. The samples that had the alumina coating presented optimum protection, with results of a high efficiency, while the samples that had scratches presented an internal oxidation of protective chromium-spinel oxidation in the matrix just below the affected region.

Fe-Cr based steels, i.e. stainless steels, possessing a combination of excellent corrosion resistance and good mechanical properties, have indispensable applications ranging from low-end cooking utensils, to sophisticated components for nuclear power plants. However, the bcc/bct phase containing stainless steels which have a miscibility gap (MG) suffer from the so-called “475 oC embrittlement” leading to hardness increase and toughness deterioration. It occurs due to demixing of Fe and Cr leading to the formation of Fe-rich (α) and Cr-rich (α′) regions in bcc/bct phases. The demixing is referred to as phase separation (PS). The goal of this work was to study PS in ferrite containing stainless steels mainly by small-angle neutron scattering (SANS). Firstly, the application of different experimental techniques for the study of phase separation in Fe-Cr based steels was reviewed and supplemented by new measurements. SANS was shown to be very sensitive to the nanostructure change caused by PS and capable of characterizing the early stages of PS in Fe-Cr alloys. However, atom probe tomography and transmission electron microscopy are complementary to SANS. Therefore, in order to have a more complete view of the microstructure, the combination of these techniques should be pursued. Secondly, the factors affecting the initial microstructure prior to aging treatment and the effect of the resulted initial microstructure on PS were systematically investigated using binary Fe-Cr model alloys. The critical temperature of the MG was determined to be located between 560 and 580 oC in binary Fe-Cr. The results indicate that the solution treatment temperature above the MG and the cooling rate after solution treatment have significant effects on the initial microstructure and thus on PS during subsequent aging. The mechanisms responsible for the changed aging behavior are Cr clustering, quenched-in vacancy and decomposition during cooling. Therefore, computational simulations should take into account these factors and the initial microstructure to make predictions that are more accurate. Thirdly, the study was extended to PS in commercial duplex stainless steels (DSSs) which are of practical importance in various industries, e.g., nuclear power. It is found that alloying elements have an important effect on PS in DSSs. The grade 2507 (25 %Cr, 7 %Ni) experiences stronger PS than grade 2205 (22 %Cr, 5 % Ni) for the same heat treatment. Moreover, the fracture mechanisms as well as the mechanical properties depend on the extent of PS.  Finally, the fundamental aspects regarding the neutron scattering behavior for Fe-Cr alloys were examined. The results show that the nuclear and magnetic scattering of neutrons depend on the evolution of the nanoscale compositional fluctuation in Fe-Cr alloys. The ratio of the magnitude of nuclear scattering versus magnetic scattering varies with the extent of PS. / Stål baserade på Fe-Cr systemet, det vill säga rostfria stål, som har en kombination av utmärkta korrosionsegenskaper och bra mekaniska egenskaper, har många tillämpningar; allt från köksredskap, till sofistikerade komponenter för kärnkraftverk. Rostfria stål som innehåller Bcc / bct-fasen och som således har en blandningslucka, är känsliga för den så kallade "475 °C försprödningen" som leder till en hårdhetsökning men kraftigt försämrad slagseghet. Detta uppstår på grund av en uppdelning av Fe och Cr som leder till bildandet av Fe-rika (a) och Cr-rika (a’) regioner i bcc / bct-fasen. Denna uppdelning brukar kallas fasseparation. Målet med detta arbete var att studera fasseparationen i ferrit-innehållande rostfria stål främst genom lågvinkel-spridning av neutroner (SANS). Till att börja med studerades och jämfördes olika experimentella tekniker för undersökning av fasseparation i Fe-Cr-baserade stål med nya SANS- mätningar. SANS visade sig vara mycket känslig för förändringar på nano-skala orsakad av fasseparation och tekniken visade sig även kapabel att karakterisera de tidiga stadierna av fasseparation i Fe-Cr-legeringar. För att få en mer fullständig bild av mikrostrukturen efter fasseparation, bör emellertid en kombination av SANS och komplementära tekniker, såsom atomsond och transmissions-elektronmikroskopi, användas. Vidare undersöktes de faktorer som påverkar den ursprungliga mikrostrukturen före åldringsbehandling, och effekten av den initiala mikrostrukturen på fasseparation studerades systematiskt med användning av binära modell-legeringar av Fe-Cr. Den kritiska temperaturen för blandningsluckan i Fe-Cr bestämdes vara belägen mellan 560 och 580 °C. Resultaten indikerar att temperaturen för upplösningsbehandling ovanför blandningsluckan och kylhastigheten har en signifikant inverkan på den initiala mikrostrukturen och därmed på fasseparationen under efterföljande åldring. Mekanismerna som är ansvariga för det förändrade åldringsbeteendet är: Cr-klustring, insläckta vakanser och fasseparation under kylning. Simuleringar av fasseparationen bör därför ta hänsyn till dessa faktorer och den ursprungliga mikrostrukturen för att göra mer exakta förutsägelser av hur mikrostrukturen utvecklar sig med åldringstiden. Fasseparationen i kommersiella duplexa rostfria stål (DSS), som är av stor praktisk betydelse i olika branscher, t ex kärnkraft, studerades också med SANS. Det visade sig att mängden av olika legeringselement har en viktig effekt på graden av fasseparation i DSS. Legeringen 2507 uppvisade en tydligare fasseparation jämfört med legering 2205 för samma värmebehandling. Brottmekanismerna såväl som de mekaniska egenskaperna visade sig bero på omfattningen av fasseparationen. Slutligen undersöktes de grundläggande aspekterna hos neutronspridnings-beteendet för binära Fe-Cr-legeringar. Resultaten visade att kärn- och magnetisk spridning av neutroner beror på utvecklingen av sammansättningsfluktuationerna på en nanoskala i Fe-Cr-legeringar. Förhållandet mellan magnetisk- och kärnspridning varierar med omfattningen av fasseparationen. / <p>QC 20171117</p>

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spalt-reaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss aus-gesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden ein-gesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nano¬härte¬messungen und Transmissions¬elektronen¬mikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Ab-hängig¬keit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für aus-gewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronen-bestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernis¬stärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungs-bedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungs-reihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersions-verfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.

Ferritisch/martensitische Cr-Stähle und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten gehören zu den potenziellen Konstruktionswerkstoffen für Komponenten zukünftiger kerntechnischer Einrichtungen, wie z. B. Fusionsreaktoren und Spaltreaktoren der IV. Generation, die Strahlungsfeldern mit hohem Neutronenfluss ausgesetzt sind. Ein Hauptproblem dieser Materialgruppen ist das Auftreten des Spröd-duktil-Übergangs und dessen maßgeblich durch die Strahlenhärtung verursachte Verschiebung zu höheren Temperaturen. In der vorliegenden Arbeit wird das Bestrahlungsverhalten von binären Fe-Cr-Modelllegierungen untersucht, die ein vereinfachtes Modell für ferritisch/martensitische Cr-Stähle darstellen. Dabei werden Bestrahlungen mit Eisenionen zur Simulation der durch Neutronen hervorgerufenen Schädigung verwendet. Die auf wenige Mikrometer begrenzte Eindringtiefe der Ionen macht es erforderlich, dass für dünne Schichten geeignete Charakterisierungsmethoden eingesetzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit sind das Nanohärtemessungen und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Im Ergebnis liegen die bestrahlungsinduzierte Härteänderung der Schicht in Abhängigkeit von Chromgehalt, Bestrahlungsfluenz und –temperatur sowie, für ausgewählte Zustände, quantitative TEM-Analysen vor. Zusammen mit begleitenden Ergebnissen von Neutronenkleinwinkelstreuexperimenten an neutronenbestrahlten Proben der gleichen Werkstoffe ermöglichen sie die Identifizierung von bestrahlungsinduzierten Versetzungsringen und nm-großen α’-Ausscheidungen als Quellen der Strahlenhärtung. Im Rahmen eines vereinfachten Modells, das auf Orowan zurückgeht, werden die Hindernisstärken dieser Gitterbaufehler für das Gleiten von Versetzungen abgeschätzt. Darauf aufbauend erfolgt ausblickartig eine Erweiterung des Untersuchungsgegenstands auf komplexere Situationen hinsichtlich der Bestrahlungsbedingungen und des Werkstoffs. Durch das Einbeziehen simultaner und sequentieller Bestrahlungen mit Eisen- und Heliumionen kann gezeigt werden, dass der Effekt von Helium auf die Strahlenhärtung von der Bestrahlungsreihenfolge abhängt und dass der simultane Eintrag fusionsrelevanter Mengen von Helium zu einer Verstärkung der Strahlenhärtung führt, die auf einem synergistischen Effekt beruht. Für Cr-Stähle mit 9 % Cr und deren oxiddispersionsverfestigte Varianten wird kein grundlegend anderes Bestrahlungsverhalten beobachtet als für binäres Fe-9at%Cr. Es gibt jedoch Hinweise, dass Oxid-dispersionsverfestigung die Strahlenhärtung unter bestimmten Bedingungen reduzieren kann. Im Ergebnis der Arbeit zeigt sich, dass Ionenbestrahlungen in Kombination mit Nanohärtemessungen zu einem vertiefenden Verständnis der Strahlenhärtung in Werkstoffen auf Fe-Cr-Basis sowie zu einer effektiven Materialvorauswahl beitragen können. Voraussetzung ist, dass der Eindruckgrößeneffekt und der Substrateffekt auf geeignete Weise in Rechnung gestellt werden.